Рубрика: Системы снижения токсичности автомобиля

Источники образования токсичных выбросов

Загрязнение автотранспортом окружающей среды

Автомобильный транспорт наиболее агрессивен в сравнении с другими видами транспорта по отношению к окружающей среде. Он является мощным источником ее химического (поставляет в окружающую среду громадное коли­чество ядовитых веществ), шумового и механического загрязнения. Следует подчеркнуть, что с увеличением автомобильного парка уровень вредного воз­действия автотранспорта на окружающую среду интенсивно возрастает. Так, если в начале 70-х годов ученые-гигиенисты определили долю загрязнений, вносимых в атмосферу автомобильным транспортом, в среднем равной 13%, то в настоящее время она достигла уже 50% и продолжает расти. А для горо­дов и промышленных центров доля автотранспорта в общем объеме загрязне­ний значительно выше и доходит до 70% и более, что создает серьезную эко­логическую проблему, сопровождающую урбанизацию. В автомобилях имеется несколько источников токсичных веществ, основными из которых являются три: отработавшие газы картерные газы топливные испарения Рис. Источники образования токсичных выбросов Наибольшая доля химического загрязнения окружающей среды авто­мобильным транспортом приходится на отработавшие газы двигателей внут­реннего сгорания. Теоретически предполагается, что при полном сгорании топлива в ре­зультате взаимодействия углерода и водорода (входят в состав топлива) с кислородом воздуха образуется углекислый газ и водяной пар. Реакции окис­ления при этом имеют вид: С+О2=СО2, 2Н2+О2=2Н2. Практически же вследствие физико-механических процессов в цилинд­рах двигателя действительный состав отработавших газов очень сложный и включает более 200 компонентов, значительная часть которых токсична. Таблица. Ориентировочный состав отработавших газов автомобильных двигателей Компоненты Размерность Пределы концентраций компонентов Бензиновый, с искр. зажигание Дизельный Бензиновые Дизельные Азот, N % объема 74…77 76…78 Кислород, O2 0,2…8,0 2…18 Пары воды, Н2О 3,0…13,5 0,5…10,0 Двуокид углерода, СО2 5,0…12,0 1…12,0 Углеводороды, СН (суммарно) 0,2…3,0 0,01…0,50 Оксид углерода, СО 0,1…10,0 0,01…0,30 Оксид азота, NOx 0,0…0,6 0,005…0,200 Альдегиды 0,0…0,2 0,0…0,06 Оксиды серы (сумм.) мг/м3 0,0…0,003 0,0…0,015 Сажа 0,0…100 0,0…20000 Бенз(а)пирен 0,0…25 0,0…10,0 Соединения свинца 0,0…60 — Состав отработавших газов двигателей на примере легковых автомобилей без их нейтрализации можно представить в виде диаграммы. Рис. Составные части отработавших газов без применения нейтрализации Как видно из таблицы и рисунка, состав отработавших газов рассматриваемых типов двигателей существенно различается прежде всего по концентрации продуктов неполного сгорания – оксида углерода, углеводородов, оксидов азота и сажи. К токсичным компонентам отработавших газов относятся: оксид углеро­да углеводороды оксиды азота оксиды серы альдегиды сажа бенз(а)пирен со­единения свинца Различие в составе отработавших газов бензиновых и дизельных двигателей объясняется большим коэффициентом избытка воз­духа α (отношение действительного количества воздуха, поступающего в ци­линдры двигателя, к количеству воздуха, теоретически необходимому для сго­рания 1 кг топлива) у дизельных двигателей и лучшим распыливанием топли­ва (впрыск топлива). Кроме того, у бензинового карбюраторного двигателя смесь для раз­личных цилиндров неодинакова: для цилиндров, расположенных ближе к кар­бюратору, – богатая, а для удаленных от него – беднее, что является недо­статком бензиновых карбюраторных двигателей. Часть топливовоздушной смеси у карбю­раторных двигателей поступает в цилиндры не в парообразном состоянии, а в виде пленки, что также увеличивает содержание токсичных веществ вслед­ствие плохого сгорания топлива. Этот недостаток не характерен для бензино­вых двигателей с впрыском топлива, так как подача топлива осуществляется непосредственно к впускным клапанам. Причиной образования оксида углерода и частично углеводородов явля­ется неполное сгорание углерода (массовая доля которого в бензинах дости­гает 85%) из-за недостаточного количества кислорода. Поэтому концентрации оксида углерода и углеводородов в отработавших газах возрастают при обога­щении смеси (α...

Состав выхлопных газов

Компоненты выхлопа двигателей внутреннего сгорания. Состав выхлопных газов

Основными источниками выбросов автомобиля являются двигатель внутреннего сгорания, испарение топлива через систему вентиляции топливного бака, а также ходовая часть: в результате трения шин о дорожное покрытие, износа тормозных колодок и коррозии металлических деталей независимо от выбросов двигателя образуются частицы мелкодисперсной пыли. При эрозии катализатора выделяются платина, палладий и родий, а при износе накладок сцепления также выделяются токсичные вещества, такие как свинец, медь и сурьма. Для этих вторичных выбросов автомобилей также должны быть установлены предельные значения. Вредные вещества Рис. Состав выхлопных газов Состав отработавших (выхлопных) газов автомобиля включает множество веществ или групп веществ. Преобладающей частью компонентов ОГ являются неядовитые, содержащиеся в обычном воздухе газы. Как показано на рисунке, лишь небольшая часть ОГ является вредной для окружающей среды и здоровья людей. Несмотря на это, необходимо дальнейшее снижение концентрации токсичных компонентов ОГ. Хотя современные автомобили сегодня дают очень чистый выхлоп (у автомобилей Евро-5 он в некоторых аспектах даже чище всасываемого воздуха), огромное число эксплуатируемых автомобилей, которых только в Германии насчитывается около 56 млн единиц, выбрасывает значительное количество ядовитых и вредных для здоровья веществ. Исправить ситуацию призваны новые технологии и введение более жестких требований к экологичности ОГ. Оксид углерода (СО) Оксид углерода (угарный газ) СО — газ без цвета и запаха. Это яд для дыхательной системы, нарушающий функцию центральной нервной и сердечно-сосудистой систем. В человеческом организме он связывает красные кровяные тельца и вызывает кислородное голодание, которое за короткое время приводит к смерти от удушья. Уже при концентрации в воздухе 0,3% по объему угарный газ в очень короткое время убивает человека. Действие зависит от концентрации СО в воздухе, от длительности и глубины вдыхания. Лишь в среде с нулевой концентрацией СО он может быть выведен из организма через легкие. Оксид углерода всегда возникает при недостатке кислорода и при неполном сгорании. Углеводороды (СН) Углеводороды выбрасываются в атмосферу в виде несгоревшего топлива. Они оказывают раздражающее действие на слизистые оболочки и органы дыхания человека. Дальнейшая оптимизация рабочего процесса двигателя возможна лишь путем совершенствования производственных технологий и углубления знаний о процессах сгорания. Углеводородные соединения возникают в виде парафинов, олефинов, ароматов, альдегидов (особенно формальдегидов) и полициклических соединений. Экспериментально доказаны канцерогенные и мутагенные свойства более 20 полициклических ароматических углеводородов, которые в силу своего малого размера способны проникать до легочных пузырьков. Самыми опасными углеводородными соединениями считаются бензол (С6Н6), толуол (метилбензол) и ксилол (диметилбензол, общая формула С6Н4 (СН3)2). К примеру, бензол может вызвать у человека изменения картины крови и привести к возникновению рака крови (лейкемии). Причиной выбросо углеводородов в атмосферу всегда является неполное сгорание топлива, недостаток кислорода, а при очень обедненной смеси — слишком медленное сгорание топлива. Окислы азота (NOх) При высокой температуре сгорания (более 1100°С) содержащийся в воздухе реакционно инертный азот активируется и вступает в реакции со свободным кислородом в камере сгорания, образуя окислы. Они очень вредны для окружающей среды: становятся причинами образования смога, гибели лесов, выпадения кислотных дождей; также окислы азота являются переходными веществами для образования озона. Они — яд для крови, вызывают рак. В процессе сгорания возникают различные окислы азота — NO, NO2, N2O, N2O5— имеющие общее обозначение NOx. При соединении их с водой возникают азотная (HNO3) и азотистая (HNO2) кислоты....

Дизельный катализатор

Катализаторы для дизельных двигателей

Дизельные двигатели всегда работают с избытком воздуха и в силу конструкции имеют небольшие выбросы СО и углеводородов. В результате в дизельном двигателе не хватает СО для восстановления оксидов азота в традиционных катализаторах. По этой причине в дизельных двигателях нельзя устанавливать катализаторы тройного действия. Для дизельных двигателей нужно было разработать совершенно новые концепции очистки ОГ. Уменьшения концентрации вредных веществ лишь за счет внутримоторных технологий уже недостаточно. Ниже описаны некоторые новые, внешние системы очистки ОГ для дизельных двигателей. Дизельный катализатор Рис. Дизельный катализатор Традиционный дизельный катализатор представляет собой обычный окислительный катализатор для нейтрализации оксида углерода и углеводородов. В качестве благородных металлов для окисления используются платина и частично палладий. Из-за высокого содержания кислорода в ОГ процессы окисления в катализаторе протекают очень эффективно. СН и СО окисляются уже при температурах выше 160°С. Поскольку частицы захватывают также углеводороды и оксид углерода, то прилипающие к частицам вредные компоненты нейтрализуются. С использованием окислительных катализаторов нельзя существенно снизить собственно выбросы частиц. Пройдя через катализатор, частицы становятся примерно на 30% легче, поскольку в нем нейтрализуются содержащиеся в частицах и прилипшие к ним углеводороды и оксид углерода. Зерна сажи остаются. Для соблюдения предельных значений Евро-2 и Евро-3 это уже был пройденный путь. Для выполнения же требований Евро-4 и других стандартов этого уже недостаточно. SCR-катализатор (Катализатор с селективным каталитическим восстановлением) С появлением нормы Евро-4 значительно снизились предельные концентрации вредных компонентов и для грузовых автомобилей. По сравнению с Евро-3 для оксидов азота это означает уменьшение на 30%, а по выбросам частиц — даже на 80%. С 2005 года в Европе была серийно запущена технология SCR-Для стандарта Евро-5 дополнительно требуются датчики NOx и аммиака (NH3). Новые системы в сочетании с сажевыми фильтрами обеспечивают большой потенциал и для использования в легковых автомобилях. Следует обратить внимание, что накопительные SCR-катализаторы не только имеют точку начала температурного скачка (около 200°С), но и не позволяют достичь достаточной степени нейтрализации выше определенной температуры (около 450°С). Сочетание сажевого фильтра, рециркуляции ОГ и систем катализаторов, работающих по принципу селективного каталитического восстановления (SCR), готово к пуску в серийное производство, а у некоторых автопроизводителей этот вопрос уже решен. Эти катализаторы называют также SINOx-катализаторами. Покрытие катализатора состоит из V205/TiO2 (оксида ванадия или диоксида титана) или V205/W02/TiO2 (оксида ванадия, диоксида вольфрама или диоксида титана). Для восстановления оксидов азота нужно впрыскивать восстановитель в ОГ перед катализатором. Он превращает оксиды азота в N2 и Н2O. Степень нейтрализации составляет около 90% NOx. В качестве восстановителя используется газообразный или растворенный в воде аммиак (NH3) или мочевина ([СО (NH2)2]). Разложение раствора мочевины происходит в гидролизном катализаторе (полное нейтрализация NH3 и СO2). В качестве гидролизных катализаторов можно использовать как отдельные оксиды металлов — AL2O3 и CO2 (анатас) так и имеющиеся в катализаторе оксиды благородных металлов. Химические реакции превращения оксидов азота начинаются примерно при 200°С и протекают по следующим уравнениям: 4 NO + 4 NH3 + O2 —> 4 N2 + 6 H2O 6 NO2 + 8 NH3 -> 7 N2 + 12 H2O. Рис. Комбинированная система очистки ОГ [источник: Bosch] Технология SCR базируется на добавке, впрыскиваемой в поток ОГ. В качестве добавки используется 32,5% водный раствор мочевины (±0,5%), находящийся в отдельном...

Нейтрализатор отработанных газов. Устройство и принцип действия

Назначение Нейтрализатор отработанных газов предназначен для нейтрализации вредных веществ, находящихся в отработанных газах выпускной системы. Принцип работы Постоянные усилия разработчиков по улучшению процессов сгорания, оптимизации управления системами двигателя достигли определённой точки, при которой требовались новые методы и способы для уменьшения выбросов вредных веществ в атмосферу многочисленными автомобилями. Разработаны и применяются т.н. нейтрализаторы отработанных газов, которые устанавливаются в выпускной системе. В настоящее время используются нейтрализаторы нескольких типов: каталитические; термические; накопительные; и др. В каталитических процесс нейтрализации интенсифицируется за счёт применения катализаторов, а в термических — за счёт высокой температуры с добавлением воздуха к отработанным газам. Каталитические нейтрализаторы Каталитические нейтрализаторы называют окислительными, т.к. они предназначены для окисления СО и СН, находящихся в отработанных газах. За короткое время, пока газы проходят через нейтрализатор, все реакции должны завершиться при температуре 250 — 800 град. При температуре менее 250 град, эффективность нейтрализатора мала, а при температуре выше 1 000 гр. происходит «спекание» мелких кристаллов платины и разрушение активной поверхности, т.е. дезактивация нейтрализатора. Рис. Окислительный нейтрализатор На рисунке представлена конструкция каталитического нейтрализатора. 1 — керамическая пористая основа с нанесённым покрытием из платины и родия, 2 — изоляционные и теплоотводящие компоненты, 3 — датчик содержания кислорода в отработанных газах. Дезактивация катализатора особенно велика в первые 20 тыс.км. Особенно быстро дезактивация наступает при использовании этилированного бензина. Повторим, что рабочая температура в нейтрализаторе 400-700 гр., поэтому для быстрого прогрева и эффективной работы нейтрализатор располагают ближе к выпускному коллектору. Такое расположение является положительным фактором при холодном пуске и прогреве двигателя — нейтрализатор быстрее начинает работать, но при этом повышается его эксплуатационная температура, а это может способствовать дезактивации катализатора. Блок-носитель каталитического нейтрализатора делают из керамики сотовой структуры, гофрированной фольги из нержавеющей стали или в виде сферических гранул из оксида алюминия, которые укладывают в металлический цилиндр, закрытый по торцам сетками. На поверхность носителя наносится каталитический материал и помещают внутрь корпуса из нержавеющей жаропрочной стали. Между блоком-носителем и корпусом ставится терморасширяющаяся прокладка. Для уменьшения вибрационных нагрузок нейтрализатор присоединяется шарнирными соединениями или компенсаторами колебаний. Рис. Эффективная зона работы нейтрализатора На рисунке показана зона эффективной работы нейтрализатора. Заштрихованная область — зона «стехиометрической» смеси, по оси абсцисс (В) отображено отношение «воздух-топливо», по оси ординат (А)-эффективность работы нейтрализатора. В зоне «богатых» смесей — от 10 до 14,6 преобладают высокие концентрации оксида азота(NОх) и низкие СО и СН. Нейтрализаторы, преобразующие СО, СН, N0, называют трёхкомпонентными или бифункциональными. Для нейтрализации смеси оксида азота, получающегося в процессе сгорания смеси, используются реакции его восстановления до азота N2 и аммиака NH3. В материалах, служащих катализатором при нейтрализации вредных веществ, используются платина, палладий, родий и др. Трёхкомпонентные нейтрализаторы являются окислительными и восстановительными. В связи с тем, что состав вредных веществ резко меняется в зависимости от «обогащения» или «обеднения» топливовоздушной смеси, необходимо поддерживать работу двигателя в районе «стехиометрической» смеси. Для выполнения такой задачи используется электронное управление работой двигателя с системой обратной связи (замкнутая система). Датчики, обеспечивающие работу обратной связи, называются: лямбда зондами (отношение «воздух-топливо») и устанавливаются до и после нейтрализатора, а также термометры газов в зоне процессов нейтрализации и окисления вредных веществ. Термические нейтрализаторы Термические нейтрализаторы представляют собой камеру, в которой при высокой температуре...

Датчик оксидов азота

Датчики системы контроля отработавших газов

Кроме датчиков кислорода, системы контроля отработавших газов содержат датчики содержания оксидов азота. Рис. Датчик оксидов азота: 1 – микросхемы; 2 – корпус Датчик оксидов азота вворачивается в выпускную систему непосредственно за накопительным нейтрализатором. Он позволяет определять концентрации оксидов азота и кислорода в отработавших газов. Сигналы с датчика передаются на вход блока управления. Блок управления датчиком оксидов устанавливается на днище кузова вблизи от датчика оксидов азота. Такое расположение снижает до минимума внешние помехи при передаче сигналов датчика оксидов азота. В блоке управления датчиком происходит подготовка сигналов датчика оксидов азота, которые передаются на блок управления двигателя. По сигналам датчика определяется соответствие настройки установленного перед нейтрализатором широкополосного датчика кислорода на стехиометрическую смесь, работоспособность нейтрализатора, необходимость регенерации нейтрализатора по оксидам азота и сере. Датчик содержит две камеры, две насосных ячейки накачки, несколько электродов и подогреватель. Рис. Принцип работы датчика оксидов азота: 1 – базовая ячейка; 2 – камера 1; 3 – отработавшие газы; 4 – первая ячейка накачки; 5 – электроды; 6 – блок управления датчиком оксида азота; 7 – освобожденные от кислорода отработавшие газы; 8 – вторая камера; 9 – вторая ячейка накачки; 10 – электроды; 11 – блок управления двигателя Чувствительный элемент состоит из диоксида циркония, который пропускает отрицательные ионы кислорода, перемещаемые от отрицательного электрода к положительному, под действием приложенного к ним напряжения. Действие датчика оксидов азота основано на измерении потока кислорода аналогично действию широкополосного датчика кислорода. Первая (насосная) ячейка настроена на концентрацию кислорода, соответствующую стехиометрическому составу смеси (14,7 кг воздуха на 1 кг топлива, коэффициент избытка воздуха – 1,0). Сначала определяется коэффициент избытка воздуха в первой камере датчика при поступлении части потока отработавших газов в первую камеру датчика по величине потока ионов через твердый электролит между двумя электродами. Ввиду различной концентрации кислорода в отработавших газах и в базовой камере на электродах появляется разность напряжений. Блок управления датчиком регулирует напряжение (около 425 мВ), соответствующее коэффициенту избытка воздуха, равному единице. При отклонениях напряжения от заданного значения кислород перекачивается от одного электрода к другому. Необходимый для этого ток накачки используется как мера для определения коэффициента избытка воздуха. После определения коэффициента избытка воздуха в первой камере, освобожденные от кислорода отработавшие газы перетекают из первой во вторую камеру. Здесь молекулы оксидов азота разлагаются с помощью специального электрода на азот (N2) и кислород (O2). Под действием постоянно прилагаемого к электродам напряжения, равного 450 мВ, ионы кислорода движутся от внутреннего электрода к наружному. Поддерживаемый таким образом ток накачки является мерой концентрации кислорода во второй камере датчика. Величина тока накачки соответствует концентрации оксидов азота в отработавших газах. Если количество задержанных в накопительном нейтрализаторе оксидов азота превысило уровень, соответствующий его насыщению, проводится цикл регенерации оксидов азота. Частое повторение циклов регенерации свидетельствует о загрязнении нейтрализатора серой, при этом проводится цикл ее регенерации. Датчик температуры отработавших газов Этот датчик установлен непосредственно перед накопительным нейтрализатором. По сигналу датчика определяется работоспособность накопительного нейтрализатора NOx и оптимизируются его функции. Помимо этого получаемые посредством датчика температуры данные используются для определения теплового состояния предварительного нейтрализатора, поддержки температурной системы выпуска, а также для защиты ее компонентов от перегрева.

Электрический сепаратор

Очистка выхлопных газов

Отделение частиц Доля выбросов от автомобилей в общей доле загрязнения воздуха составляет примерно 10%. Черный, белый и голубой дым от дизельного двигателя являются непосредственно заметными выбросами и, подобно запаху от выхлопных газов, видны как результат работы двигателя. Очистка выхлопных газов в дизельных двигателях призвана решить эти проблемы, посредством чего выброс частиц может быть уменьшен примерно на 75%. В общем, размер частиц, которые должны быть удалены, имеет решающее значение для практического применения возможных систем отделения. Частицы сажи, выбрасываемые дизельным двигателем, имеют размеры (судя по диаметру) от 0,01 до 10 мкм. Размер зерна в среднем лежит около 1 мкм (микрона). Для частиц такого размера могут быть использованы только фильтрация и электрические сепараторы. Фильтр дожигания сажи Рис. Фильтр дожигания сажи Дизельный двигатель постоянно работает с избытком воздуха. Это значит, что выхлопные газы содержат так много кислорода, что при температуре выше примерно 550°С, собирающаяся сажа сгорает самостоятельно в фильтре (а) для дожигания сажи с эффектом самоочищения фильтра. Однако, локальные пиковые температуры, достигающие 1200°С при дожигании сажи требуют использования материалов с особыми свойствами. По этой причине для этой цели были специально разработаны керамические материалы фильтров различной конструкции. Штампованный керамический сотовый элемент (2) подобен по конструкции и материалам каталитическому преобразователю (катализатору), используемому на бензиновых двигателях (Ь). Однако концы сотовых ячеек попеременно уплотнены керамическими заглушками (3). Следовательно, выхлопные газы, проходящие в открытый канал, могут протекать через пористые керамические стенки в расположенные рядом каналы, ведущие к выхлопной трубе. Керамические стенки имеют толщину менее 0,5 мм. Так называемые фильтры с «глубокой основой» разработаны в качестве альтернативы керамическим сотовым фильтрам. У них заметно больше размер пор и разделение происходит только на существенной глубине в фильтре (толщина стенки). Здесь используются «свечи», состоящие из перевитых керамических фиберов. Чтобы исключить избыточные противодавления и, таким образом, риск забивания, необходимо предусмотреть вспомогательную регенерацию. Температуры сгорания могут быть уменьшены до 200 — 250°С путем добавления металлоорганических соединений. Дожигание в этом случае сможет остаться эффективным даже при расположении фильтрующей системы под дном кузова автомобиля. Подача внешней энергии через дожигатель топлива станет причиной усиленной регенерации фильтра. Электрический сепаратор Напряженность электрического поля так высока, что на концах или остриях одного из электродов (3) электричеокого сепаратора начинается эмиссия электронов. В результате этого образуются свободные носители заряда, которые сами осаждаются на частицы, находящиеся в выхлопных газах (1). В электростатическом поле электрически заряженные частицы движутся к электроду с противоположной полярностью, где они и отделяются. (2 — электростатический накопитель). Хотя электрический сепаратор в обычной форме неприменим для работы в автомобиле (размеры, трудность очистки), принцип его работы с помощью накопления приведет к существенному росту отделяемых частиц. Затем частицы могут быть отделены от потока выхлопных газов в обычном центробежном сепараторе. Рис. Электрический сепаратор Циклон (устройство отделения частиц от газа) (5) расположен внизу накопителя. Благодаря центробежной силе частицы двигаются, вращаясь, к наружной стенке и оттуда к отстойнику. Отделенная сажа подается к системе удаления (4) вместе с потоком выхлопных газов. Возможности удаления предусматривают дожигание сажи внутри или снаружи двигателя или непосредственное хранение сажи. (6 — очищенные выхлопные газы). В отличие от фильтра дожигания сажи, утечки давления выхлопных газов в электрическом сепараторе не зависят от количества сажи и...

LSU-зонд

Широкополосный лямбда-зонд или универсальный лямбда-зонд (LSU)

Широкополосный лямбда-зонд представляет собой новое поколение зондов, многократно используемых в качестве предкатализаторных и имеющих очень широкий диапазон измерений. Это позволяет оптимально использовать их для двигателей, работающих на бедных смесях, газе и дизельном топливе. Значение лямбда выдается не в виде скачкообразно растущей кривой напряжения, как у циркониевого зонда, а в виде почти линейной кривой роста силы тока. Благодаря этому теоретически возможно измерение значения лямбда в большом диапазоне измерений (более широкий диапазон) от Л = 0,7 до Л = бесконечности. Надежно анализируемые сигналы получают при значениях лямбда до 3,4. Значение А определяется не по изменению напряжения, а по изменению силы тока. Рабочая температура в регулируемом диапазоне составляет 750°С. Из-за очень низкого сопротивления нагревательного элемента рабочая температура зонда достигается через 15 секунд. Принципиальная схема LSU-зонда изображена на рисунке. Рис. LSU-зонд: 1. Электролизный «насос» (ZrO2) 2. Платиновые электроды опорной ячейки 3. Нагревательный элемент 4. Эталонный зазор 5. Керамика из ZrO2 6. Измерительный зазор (диффузионный зазор, 10-50 мкм) 7. Опорная ячейка (измерительная ячейка, ZrOJ 8. Плат иновые электроды опорной ячейки 9, 10. Платиновые электроды электролизного «насоса» В отличие от зонда с релейной характеристикой напряжение на электродах поддерживается постоянным. Это реализуется с помощью так называемого электролизного «насоса», подающего на электрод со стороны ОГ столько кислорода, чтобы напряжение между электродами всегда составляло 450 мВ. Это соответствует значению Л = 1 в измерительном зазоре. Потребляемый «насосом» ток пересчитывается электронным блоком управления двигателем в значение лямбда. Зонд можно заменять только в комплекте с кабелем и разъемом, так как все компоненты согласованы между собой. Разъемы нужно обязательно защищать от загрязнения, так как через них наружный воздух как эталонный газ подается внутрь датчика. Существуют 6-контактные (Bosch) и 5-контактные (NTK) варианты. Функция зонда Рис. Характеристика сигнала LSU-зонда Протекание сигнала у широкополосного зонда изображено на рисунке В результате подачи напряжения на платиновые электроды электролизного «насоса» кислород перекачивается из ОГ или в ОГ через диффузионный барьер диффузионного зазора. Электроника регулирует напряжение таким образом, что состав смеси в диффузионном зазоре составляет Л = 1 (450 мВ). Протекающий через электроды электролизного «насоса» ток прямо пропорционален концентрации кислорода в ОГ. При обеднении топливовоздушной смеси содержание кислорода в ОГ повышается, и электролизный «насос» должен откачивать кислород наружу. Соотношение кислорода к наружному воздуху изменяется при постоянной мощности насоса, и напряжение между электродами падает. Чтобы достичь напряжения в 450 мВ между электродами, нужно уменьшить концентрацию кислорода на стороне выпуска. Мощность «насоса» изменяется, и блок управления двигателем пересчитывает потребляемый «насосом» ток в значение лямбда. Состав смеси соответствующим образом изменяется. При обогащении топливовоздушной смеси содержание кислорода в ОГ снижается, и электролизный «насос» закачивает меньше кислорода в область измерения. Направление тока меняется на обратное, и кислород выкачивается в измерительный зазор из ОГ и из реакции превращения СO2 и Н2O. Напряжение между электродами повышается. Электролизный «насос» должен изменить свою производительность, чтобы содержание кислорода в измерительной камере выросло, и напряжение между электродами снова составило 450 мВ. В таблице показаны значения напряжения зонда с соответствующим значением Л у различных типов топлива. Эти значения могут слегка различаться у отдельных автопроизводителей. Таблица. Значения напряжения и параметры смеси LSU-зонда

Кривая предельных значений для дымности дизельного двигателя

Методики анализа выхлопных газов

Многие страны ограничивают вредные выбросы от автомобильных дизельных двигателей путем введения соответствующих норм. Соответствующие законы содержат, в частности, обусловленные методы проверок, методики измерений и предельные значения, которые используются в разных странах одинаково, тогда как небольшие отклонения обуславливаются экологическими, экономическими и климатическими особенностями. Предельные значения, которые не должны превышаться, касаются следующих соединений, содержащихся в выхлопных газах: углеводороды (НС или СН); окись углерода (СО); окислы азота (NOx); мелкие частички; сажа (видимые компоненты частичек). Токсичные вещества в выхлопных газах состоят из следующего: выбросы от сгорания в двигателе (газы, соединения серы, частички, пахучие вещества); выбросы от вентиляции картера двигателя (газы, соединения серы, пахучие вещества); выбросы от испарений (из топливной системы). Выбросы из картера дизельного двигателя очень незначительны, При такте сжатия сжимается только чистый воздух, а прорывающиеся в картер газы при рабочем ходе (такте расширения) составляют только примерно 1% от токсичных веществ, образуемых бензиновым двигателем. Тем не менее, замкнутые системы вентиляции картера также оговариваются законами, касающимися дизельных двигателей. В отличие от бензинового двигателя, проверка выбросов от испарений для дизельных двигателей не нужна, так как топливная система замкнута, и дизельное топливо не содержит легколетучих компонентов. Соединения серы в выхлопных газах являются результатом наличия серы в топливе. Они не должны быть видны как результат сгорания в дизельном двигателе. Проблема специфического дизельного запаха пока еще не решена; попытки выяснить основу происходящих в дизельном двигателе процессов и выбросов, которые вызывают запах, пока находятся лишь в начальной стадии. Не существует и общепризнанных методов измерений. Большинство стран имеют, тем не менее, действующие нормы по ограничению выбросов твердых частиц или планируют ввести их. Постоянно возрастающие требования к предельным значениям токсичности выхлопных газов делают необходимыми постоянные исследования в области автомобильных двигателей, направленные на уменьшение вредных выбросов и улучшение измерительных методик для выхлопных газов. Измерительные приборы Принципы измерений, используемые во всем мире для предусмотренных проверок, являются следующими. Анализ содержания углеводородов Общее содержание углеводородов, содержащихся в выхлопных газах дизельного двигателя, определяется с помощью детектора — анализатора ионизации в пламени (FID). Принцип измерения FID основан на образовании ионов из углеводородов в пламени водорода. Рис. Метод измерения прибора FID: 1. Дисплей (шкала на приборе); 2. Устройство для сжигания; 3. Выход; 4. Водород; 5. Воздух без НС; 6. Калибровочный газ; 7. Выхлопные газы. Выхлопные газы содержат большое количество различных соединений углеводородов, которые содержатся по отдельности в несгоревших, расщепленных и частично окисленных соединениях в различных соотношениях в зависимости от типа топлива и режима работы двигателя. Измерение общего содержания углеводородов в выхлопных газах дизельного двигателя становится особенно проблематичным из-за того, что результаты зависят от метода подготовки образца для измерений. Изза меняющихся процессов конденсации и испарения углеводородов с высокой температурой кипения в выхлопных газах дизельного двигателя, которые находятся в магистрали для отбора в отличие от измерений для бензинового двигателя, необходимо полностью нагреть магистраль для отбора образца, идущей к детектору — анализатору FID и внутри FID к устройству для сжигания. Температура нагрева магистрали для отбора должна быть 190±10°С. Анализ окиси и двуокиси углерода Рис. Анализ окиси и двуокиси углерода: 1. Источник постоянного напряжения; 2. Усилитель; 3. Основная стабилизация; 4. Ячейка детектора; 5. Металлическая диафрагма; 6. Модулятор излучения; 7. Выхлопные газы; 8. Ячейка...

Зависимость отдельных компонентов ОГ от коэффициента избытка воздуха

Организация процесса сгорания и выбросы вредных веществ в бензиновых двигателях

При оценке выбросов вредных веществ двигателя нужно учитывать, что каждый цилиндр представляет собой закрытую систему. Суммарные выбросы вредных веществ двигателя складываются из отдельных выбросов каждого из работающих цилиндров. Чем меньше будет выброс вредных веществ в каждом цилиндре, тем меньше будут суммарные выбросы двигателя. Отсюда вытекают три основных требования к конструкции камер сгорания, конструкции и конструктивным параметрам систем питания, выпуска отработавших газов и управления двигателем, а также использованию различных методов наддува. Вот эти требования: точное дозирование воздуха и топлива в каждом цилиндре при любых режимах работы двигателя; в каждом цилиндре должно быть одинаковое количество топливовоздушной смеси; в каждом цилиндре топливовоздушная смесь должна быть однородная по составу. Современные двигатели с электронным управлением впрыском и зажиганием, а также двигатели с непосредственным впрыском топлива практически полностью соответствуют этим идеальным требованиям. Коэффициент избытка воздуха При сгорании топлива в цилиндрах двигателя происходят очень сложные химические и физические процессы. Процесс сгорания, как правило, протекает в несколько этапов (взрыв, расширение фронта пламени, диффузионное сгорание) и на него влияет множество специфичных факторов и цепных реакций. В упрощенном виде процесс сгорания можно представить как окисление. Для сгорания 1 кг топлива необходима определенная масса кислорода. Зная состав топлива и содержание кислорода в воздухе (20,6% = 0,23 кг кислорода на 1 кг воздуха), можно рассчитать, так называемый, минимальный расход воздуха, необходимый для полного сгорания топлива. Для точного расчета необходим химический элементарный анализ топлива по пропорциям масс углерода, водорода, серы и кислорода. В среднем для полного сгорания 1 кг топлива требуется 14,7 кг воздуха (Л =1). Однако сгорание топлива в двигателе происходит не с теоретически минимальным расходом воздуха, а с фактическим расходом воздуха, поступившего в двигатель. Отношение количества воздуха, поступившего в двигатель, к количеству воздуха, которое теоретически необходимо для полного сгорания топлива, называют коэффициентом избытка воздуха и обозначают Л. Коэффициент избытка воздуха — центральная величина во всей моторной технике, системах управлении двигателем и OBD. Она определяется следующими значениями: Л = 1 — теоретическая, идеальная, стехиометрическая горючая смесь; Л > 1 — избыток воздуха или недостаток топлива (бедная смесь); Л <1 — недостаток воздуха или избыток топлива (богатая смесь). Для воспламенения в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания смесь должна иметь определенные пропорции топлива и воздуха. Воспламенение и сгорание возможно лишь в определенных пределах воспламеняемости. Реальные пределы воспламеняемости у бензиновых и дизельных двигателей сильно различаются. Возможные пределы воспламеняемости у обычных бензиновых двигателей находятся в диапазоне Л от 0,65 до 1,5. При некоторых технологиях непосредственного впрыска, таких как GDI и FSI, может быть достигнуто значение 3,0. Возможные пределы воспламеняемости у дизельных двигателей находятся в диапазоне Л от 1,1 до 7,0. У современных дизельных двигателей с непосредственным впрыском топлива этот показатель может достигать 10,0 при работе на холостом ходу. Коэффициент избытка воздуха и выбросы вредных веществ бензиновыми двигателями Все важные параметры двигателя зависят от коэффициента избытка воздуха. Из-за очень сложных химических и физических процессов сгорания конструктивные параметры двигателя в плане мощности, крутящего момента, расхода топлива и выбросов вредных веществ, всегда являются суммой большого числа компромиссов. Если в камере сгорания образуется небольшое количество вредных веществ, то можно повысить эффективность систем очистки отработавших газов (например, катализатора). Основной проблемой всех высокооборотных...

Общая схема системы очистки отработавших газов бензинового двигателя

Каталитическая нейтрализация отработавших газов

Каталитическое действие нейтрализаторов основано на беспламенном поверхностном окислении токсичных веществ в присутствии катализатора, ускоряющего химическую реакцию. Процесс окисления происходит во время прохождения отработавших газов через слой носителя с нанесенным на него катализатором, причем скорость реакции сгорания зависит oт температуры носителя. Применение каталитических нейтрализаторов позволяет дожигать продукты неполного сгорания СН и СО и разлагать оксиды азота. В качестве активных компонентов каталитических нейтрализаторов для СИ и СО применяют благородные металлы (до 1-2 г палладия, платины) а также оксиды переходных металлов (меди, кобальта, никеля, ванадия, хромата железа, марганца). Для нейтрализации могут применяться, кроме выше названных элементов, катализаторы на основе меди с добавкой ванадиевого ангидрида и оксида хрома, на основе оксида железа или алюминия, на основе металлических сплавов (нержавеющая сталь, бронза, латунь, легированные стали с хромоникелем). Общая схема системы очистки отработавших газов бензинового двигателя показана на рисунке: Рис. Общая схема системы очистки отработавших газов бензинового двигателя В систему очистки отработавших газов современного двигателя входят: трехкомпонентный каталитический нейтрализатор 1 входной 2 и выходной 9 датчики кислорода (лямда зонды) блок управления двигателем 3 кабель шины CAN 4 блок управления датчиком NOx 5 датчик (датчики) оксидов азота NOx 6 накопительный нейтрализатор NOx 7 датчик температуры 8 датчик кислорода 9 двигатель 10 Каталитический нейтрализатор представляет собой металлический корпус 6 из жаропрочной нержавеющей стали толщиной около 1,5 мм, внутри которого находится керамический носитель 5. Наибольшее распространение получили гранулированные и блочные (монолитные) носители, которые пронизаны многочисленными мелкими сотами, созда­ющими максимальную поверхность контакта с отработавшими газами. Чтобы обеспечить необходимый массоперенос между отработавшими газами и каталитической поверхностью, площадь последней увеличивают путем нанесения на нее гамма-оксида алюминия с пористой структурой, в виде сферических гранул, которые укладываются в металлический цилиндр 2, закрытый по торцам сетками. Гранулы из оксида алюминия покрываются непосредственно каталитическим материалом. Поверх фольги или гранул алюминия нанесен тонкий слой катализаторов – платины и родия. Задача этих редких металлов – ускорять окисление углеводородов и окиси углерода до угле­кислого газа, а токсичные оксиды азота восстанавливать до азота. Между блоком-носителем и корпусом ставится специальная терморасширяющаяся прокладка. Рис. Каталитический трехкомпонентный нейтрализатор отработавших газов: 1 – кислородный датчик; 2 –цилиндр; 3 – терморасширительная прокладка; 4 – катализатор; 5 – керамический носитель; 6 – металлический корпус Недостатком нейтрализаторов является их достаточно большая стоимость из-за применения дорогостоящих редких металлов. В целях их экономии в конструкции нейтрализаторов начали применять нано технологии. Исследования фирмы «Мазда» показали, что частицы редких металлов крупнее 10 нм, напыленные на керамическую основу, дер­жатся на ней не слишком проч­но. При нагреве они начинают скользить по поверхности керамических зерен и сливаются, подобно капелькам ртути в агломераты все боль­ших размеров. При этом неиз­бежно уменьшается площадь поверхности, контактирующая с газами, и эффективность их обезвреживания падает. Однако, если уменьшить размер частиц металла до 5 нм и менее, они прочно застревают в нанопорах керамики и уже не могут срываются. Кроме того, применяя наночастицы пла­тины, удалось уменьшить ее общее количество в нейтрали­заторе на 70…90%. Альтернативой керамическому моно­литному блоку является металлический каталитический нейтрализатор. Он из­готавливается из гофрированной ме­таллической фольги толщиной 0,05 мм, намотка и пайка которой твердым при­поем осуществляется при высокой тем­пературе. Поверхность фольги покры­вается эффективно действующим ката­лизатором. Благодаря тонким стенкам фольги в тех...

NEDC

Европейский цикл движения NEDC для типовых испытаний

Анализ ОГ при типовых испытаниях автомобилей существенно отличается от проверок токсичности ОГ, проводимых на СТО. При типовой проверке автомобиль проезжает предписанные циклы движения на беговых барабанах при точно заданных параметрах окружающей среды и условиях испытаний. Предписанные и стандартизированные методы измерений определяют количество каждого отдельного компонента ОГ. Для Европы обязательным является новый европейский цикл движения — NEDC (New European Driving Cycle). Данный цикл моделирует типичную манеру езды на европейских дорогах. В других странах (например, в США и Японии) при испытаниях автомобилей применяются другие циклы, учитывающие региональную специфику дорожного движения и стиля вождения. Измерение количества и анализ вредных веществ выполняются по методу CVS (Constant Volume Sampling, отбор проб постоянного объема). Уже начиная с нормы Евро-3 произошло значительное ужесточение европейских условий испытаний. 40-секундная фаза холостого хода перед началом испытаний была упразднена. Измерение ОГ начинается в момент начала испытания. В 2002 году вступило в силу очередное ужесточение условий испытаний для автомобилей с бензиновыми двигателями. При дополнительном испытании в холодных условиях пуск двигателя производится при температуре -7°С, и немедленно начинается измерение ОГ в городском цикле. Предельно допустимое количество оксида углерода во время этого испытания не должно превышать 15 г/км, а углеводородов — 1,8 г/км. Параллельно с ужесточением условий испытаний вступление в силу нормы Евро-4 почти наполовину уменьшило предельное содержание вредных веществ в выхлопе. Поскольку 90% вредных веществ образуется в фазе нагрева катализатора, изготовители были вынуждены устанавливать новые системы очистки ОГ для фазы холодного пуска и прогрева двигателя. Испытание с холодным пуском предусмотрено также для автомобилей с дизельными двигателями. После вступления в силу новых стандартов содержания вредных веществ в ОГ автомобилей с дизельными двигателями, с 2008 г требования ужесточились. Так, например, предельное содержание частиц снижено до уровня 0,0025 г/км, а количество МО( по сравнению с Евро-4 сокращено вдвое. Рис. NEDC (New European Driving Cycle, новый европейский цикл движения). Длительность цикла 1220 секунд (4 х 195 секунд + 1 х 400 секунд). Длина цикла 11007 метров. Средняя скорость 33,6 км/ч. Максимальная скорость 120 км/ч Рис. Американский цикл движения FTP 75 (Federal Test Procedure). Длительность цикла 1372 секунд + 505 секунд = 1877 секунд. Длина цикла 11,04 миль, 17763 метра (1 миля = 1609 м). Средняя скорость 34,1 км/ч. Максимальная скорость 91,2 км/ч На рисунке изображен цикл движения NEDC для типовых испытаний легковых автомобилей. Различия между региональными циклами движения показаны на рисунке. Американский цикл движения показан на примере FTP-75. Это всего лишь один из стандартных испытательных циклов, принятых в США. Остальные, не описанные здесь циклы — это загородный цикл (Highway Cycle), цикл 5FTP, цикл US06 и цикл OBD, который также называют CARB Unified Cycle. Испытание FTP-75 состоит из трех фаз и паузы (простоя). Пауза в 10 минут в цикле FTP имитирует нахождение автомобиля в пробке, типичной при движении в большом американском городе. Третья фаза идентична первой. Максимальная скорость автомобиля при этом испытании заметно ниже, чем при испытаниях в Европе. Единых условий испытаний, таких как в Европе, в США нет. Выброс ОГ на испытаниях определяется по следующей формуле: (0,43 х фазы 1 + 2) + (0,57 х фазы 2 + 3) У грузовиков и автобусов ОГ анализируются не с...

Система рекуперации отработавших газов

Рекуперация энергии отработавших газов

Отработавшие газы автомобиля содержат немало энергии, которая обычно может использоваться для привода турбины наддува, остальная часть нагретых газов не используется. Для использования энергии отработавших газов фирма BMW разработала вариант двигателя, в котором газы нагревали воду, превращая ее в пар, который затем с помощью паровой машины подкручивал коленчатый вал ДВС. В другом варианте энергия тепла отработавших газов используется для получения электрической энергии и питания многочисленных потребителей на борту, разгрузив штатный генератор. Можно отметить, что в современных автомобилях ради 1 кВт·ч электроэнергии приходится сжигать бензина на 6 кВт·ч. В этом варианте рядом с выхлопной трубой размещается термоэлектрогенератор (термопара) на основе теллурида висмута, преобразующий разницу температуры охлаждающей жидкости и отработавших газов ток. При габаритах 300×100 мм он выдает около 600 Вт мощности. Работает термоэлектрогенератор при больших скоростях движения автомобиля, когда отработавшие газы имеют высокую температуру. Рис. Система рекуперации отработавших газов: 1 – выхлопная труба; 2 – термоэлектрогенератор; 3 – подвод охлаждающей жидкости

✪Устройство автомобиля Авто⚡сайт №❶